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- 최대 3만 도까지 가열된 이온화된 공기 분자의 채널 생성 폭발적인 팽창으로 천둥소리 발생
- 레이저 플래시 편향, 2021년 여름 약 2,500m 높이의 스위스 알프스 산티스에서 실험
- 이러한 섬광은 레이저에 의해 생성된 채널을 따라가므로 직접 경로에서 편향
- 공항, 발전소, 로켓 발사대와 같은 중요한 인프라 더 잘 보호할 수 있는 유망한 방법

피뢰침 같은 레이저
고에너지 레이저 펄스는 하늘 높이에서도 번개의 경로를 전환할 수 있다.

금속 막대 대신 레이저 빔:
하늘로 향하는 레이저 빔은 번개를 굴절시킬 수 있으므로 스위스 산 정상에서 테스트한 것처럼 피뢰침 역할을 할 수 있다. 펄스 고출력 레이저가 124m 높이의 전파탑에서 여러 번 섬광을 성공적으로 반사했다. 레이저는 섬광이 뒤따르는 공기 중에 이온화되고 얇아진 채널을 생성했다고 물리학자들은 Nature에 보고했다. 이것은 예를 들어 공항, 미사일 발사대 및 기타 취약한 인프라를 보호할 수 있는 새로운 기회를 열 수 있다. 

▲ 스위스 알프스의 잰티스(Säntis) 정상에서 연구원들은 고출력 레이저를 피뢰침으로 테스트했다. © TRUMPF/Martin Stollberg(info@martinstollberg.de)

번개는 우리 날씨에서 가장 놀라운 현상 중 하나다. 최대 10억 볼트의 눈부신 방전은 뇌운 사이 또는 구름과 지구 표면 사이를 점프한다. 극단적인 경우 번개는 수백 킬로미터에 달할 수 있다. 이것은 최대 3만 도까지 가열된 이온화된 공기 분자의 채널을 생성하며 폭발적인 팽창으로 인해 우리가 들을 수 있는 천둥소리가 발생한다. 반물질과 고에너지 감마선도 강력한 섬광으로 방출된다.

▲ 실험 셋업 a, Säntis 산 정상에 있는 실험 장치의 레이아웃. b, 레이저 경로를 시각화하는 데 사용되는 레이저 빔의 두 번째 고주파를 사용한 실험 사진. (출처: 관련논문 Laser-guided lightning / nature / Published: 16 January 2023)

지금까지 건물 및 기타 취약한 기반 시설은 지붕의 접지된 금속 피뢰침이 충격으로부터 보호했다. 약 270년 전에 벤자민 프랭클린이 발명한 이 피뢰침은 번개에 대한 선호하는 충격 지점을 제공하고 지하에 전하를 전도한다. 그러나 이러한 피뢰침은 공항, 로켓 발사대 또는 발전소와 같은 광범위한 인프라를 전체 지역에 차폐하는 데 충분하지 않은 경우가 많다.

번개를 위한 길을 여는 레이저 펄스

파리 폴리테크닉 대학의 Aurélien Houard와 그의 동료들은 현재 가능한 대안인 레이저를 사용한 플래시 편향을 개발하고 테스트했다. 강력한 레이저 펄스는 소위 필라멘트라고 하는 공기 중에 이온화된 공기 분자 채널을 생성한다. "이 필라멘트 영역을 따라 공기는 레이저 에너지의 흡수에 의해 빠르게 가열되고 초음속으로 바깥쪽으로 확장된다"고 연구원은 설명했다.

이렇게 하면 저항이 가장 적은 경로로 번개를 제공하는 채널이 생성되어 원래 대상에서 전환된다. Houard와 그의 동료들은 "실험실에서 몇 미터 길이의 전기 방전이 이미 그러한 레이저 유도 필라멘트에 의해 유발되고 수행되었다"고 보고했다. 레이저 펄스는 생성하는 필라멘트 채널이 레이저 소스에서 멀리 떨어져 시작하도록 조정할 수 있다. 이렇게 하면 편향 레이저에 번개가 칠 위험이 줄어든다.

▲ 초단파, 고출력 레이저 펄스는 공기 중에 이온화된 채널을 생성해 플래시를 지시하여 실제 대상에서 멀어지게 할 수 있다. © TRUMPF/Martin Stollberg(info@martinstollberg.de)

Säntis 정상 회담에서의 실기 테스트

이전에는 이 레이저 플래시 편향이 실외의 실제 뇌우에서도 작동하는지 여부가 불분명했다. 그렇기 때문에 물리학자들은 2021년 여름 약 2,500m 높이의 스위스 알프스 산티스에서 실험으로 이것을 테스트했다. 이를 위해 그들은 고에너지 적외선 레이저 펄스를 초당 수천 펄스의 주파수로 하늘로 발사할 수 있는 고출력 레이저를 산 위로 운반했다.

물리학자들은 이 레이저가 산꼭대기에 있는 124m 높이의 통신 탑 바로 위를 비추도록 정렬했다. 과학자들은 "1년에 약 100번 번개를 맞는 이 타워에는 번개 방전, 전자기장, X선 및 기타 번개로 인한 방사선을 등록할 수 있는 수많은 센서가 장착되어 있다"고 보고했다.

실험을 위해 그들은 타워 반경 3km 내에서 뇌우가 몰아칠 때마다 레이저를 켰다. 그런 다음 레이저는 탑 꼭대기에서 약 50m 길이의 필라멘트 채널을 만들었다.

번개가 성공적으로 반사되었다.

테스트 기간 타워는 최소 16번의 번개를 맞았다. 레이저는 이러한 섬광 중 4번에서 활성화되었으며 모든 방전은 탑에서 구름을 향해 진행되었다. 분석 결과 이러한 섬광은 실제로 레이저에 의해 생성된 채널을 따라가므로 직접 경로에서 편향된 것으로 나타났다. "낙뢰는 약 50m 길이에 걸쳐 레이저 경로를 따라간다"고 팀은 말했다. 레이저 유도 필라멘트가 끝난 후에야 번개가 자연 경로를 재개했다.

▲ Säntis 번개 측정 시스템은 2개의 고속 전기장 센서, 필드 밀, 3개의 풀 HD 카메라, 2개의 고속 카메라 및 2개의 X선 센서로 구성된다. Säntis Tower 지역을 다루는 기상 레이더의 데이터도 MeteoSwiss에서 사용할 수 있다. 타워에 대한 낙뢰 전류는 타워를 따라 두 개의 서로 다른 높이에 위치한 일련의 Rogowski 코일과 B-dot 센서로 측정되었다(Säntis 타워 계측에 대한 자세한 내용은 참조 32, 34 참조). 낙뢰 활동은 방위각과 고도에 위치하며 해당 지역의 FM 라디오 송신기의 간섭을 피하기 위해 상한 차단이 84MHz로 제한되는 1–160MHz 대역38의 무선 주파수 간섭계에 의해 GPS 타임스탬프가 찍혀 감지되었다. 우리는 대기에서 전기 활동이 없으면 간섭계가 레이저 시스템과 레이저 유도 필라멘트에 완전히 둔감하다는 것을 확인했다. 레이돔에 위치한 X선 탐지기는 20keV-1MeV 범위에서 방출되는 X선을 측정했다. 전기장 측정은 타워에서 20 m 및 15 km 떨어진 곳에서 수행되었습니다. 마지막으로 두 개의 시야각에서 두 개의 고속 카메라를 설치하여 상승한 뇌운 아래 맑은 날씨의 경우 낙뢰를 직접 영상으로 제공했다. Schwägalp와 Kronberg에 위치한 그들은 각각 초당 10,000과 24,000 프레임으로 작동했다. (출처: 관련논문)

"Säntis 실험 시연의 결과는 짧고 강렬한 레이저 펄스에 의해 형성된 필라멘트가 상당한 거리에 걸쳐 번개 방전을 유도할 수 있다는 첫 번째 징후를 제공한다"고 Houard와 그의 동료들은 말했다. 기존의 피뢰침과 달리 레이저 빔은 번개가 보호 대상에 가까워지기 훨씬 전에 대기권의 높은 곳에서 번개를 편향시킬 수 있다.

이 방법은 여전히 ​​최적화되고 추가 테스트가 필요하다. 그럼에도 불구하고 물리학자들은 이러한 레이저 피뢰침을 미래의 낙뢰로부터 공항, 발전소 또는 로켓 발사대와 같은 중요한 인프라를 더 잘 보호할 수 있는 유망한 방법으로 보고 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41566-022-01139-z)
출처: Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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